推凸質量對鋼軌焊頭使用性能的影響

1、推凸質量對鋼軌焊頭使用性能的影響劉紅軍，陳明鳴，車小莉（1. 成都焊軌廠，成都610067；2.西南交通大學焊接研究所，成都610031） 摘要：對取自成昆線的氣壓焊和閃光焊接頭處的斷裂鋼軌試件進行了金相、硬度、宏觀斷口和微觀斷口分析，以研究焊接接頭斷裂原因。金相和硬度分析未發(fā)現(xiàn)明顯異常組織出現(xiàn)和硬度分布，斷口分析表明試件均為疲勞斷裂，裂紋源位于焊瘤趾部或焊瘤內部靠近軌腰表面處。關鍵詞：鋼軌焊接推凸焊瘤焊頭質量成昆線K294+31和K297+33兩處均為整體道床，直線線路，無病害，坡度1310 1316 ，于2000年12 月鋪設，2003 年8 月發(fā)現(xiàn)鋼軌斷裂，鋼軌為60kgPm，

2、材質為U71Mn。K294+31 處為現(xiàn)場氣壓焊接頭，297+33處為焊軌廠閃光焊接頭。1 斷口及金相分析 鋼軌試件外觀形貌如圖1和圖2 所示。K294+31處試件長度260mm，軌腰焊瘤高26 mm，縱向裂紋長約190 mm，焊縫開裂處距軌底約98mm。K297+33試件長度215mm，軌腰焊瘤高1154 mm，縱向裂紋長135mm(不包括分枝) ，焊縫開裂處距軌底約78mm。    從宏觀斷口(圖3、圖4)可見，斷口為典型的疲勞斷口，K294+31試件裂紋源處于焊瘤內部靠近軌腰表面與焊縫相交處，K297+33試件裂紋源處于焊瘤趾部。裂紋源均

3、位于鋼軌內側。掃描電鏡分析試件均取自啟裂區(qū)，見圖5和圖6。圖5為K294+31試件斷口掃描電鏡照片，其中可見大量的空洞、夾雜和二次裂紋。圖6為K297+33試件斷口掃描電鏡照片，也有大量的空洞和夾雜。電子探針分析表明，空洞和夾雜部位主要為Fe，Mn和Si等的氧化物。 對裂紋附近焊縫及熱影響區(qū)的金相分析表明，兩試件的焊縫組織主要為鐵素體+珠光體，有網(wǎng)狀晶界鐵素體，其中K294+31處試件焊縫有魏氏組織，焊縫區(qū)內未發(fā)現(xiàn)明顯的夾雜物和缺陷。過熱區(qū)組織主要為鐵素體+珠光體，與母材相比晶粒粗大，但并不嚴重。典型焊縫和過熱區(qū)金相照片見圖7。在裂紋附近焊縫及距焊縫約60mm的范圍內，在軌腰相距16

4、mm的上、中、下3條線上進行維氏硬度試驗，其中下測試點距去掉軌底后形成的邊緣10mm。每個測試點之間相距5mm（軟化區(qū)內相距2mm） 。K294+31試件焊縫、粗晶區(qū)、軟化區(qū)和母材硬度分別為280HB、300 HB、266 HB 和287 HB。K297+33試件焊縫、粗晶區(qū)、軟化區(qū)和母材硬度分別為270HB、315HB、260HB和300HB。軟化區(qū)均距焊縫約25mm。兩試件，以及上、中、下測試點之間硬度無明顯差異，粗晶區(qū)淬硬和軟化區(qū)軟化均不嚴重。2 檢驗結果分析2.1 裂紋性質和裂紋源兩試件切割后，均沿裂紋自然分離，且整個斷口銹蝕嚴重，未見新鮮斷口。宏觀斷口和掃描電鏡照片（圖3、圖4、圖5

5、、圖6） 均為將斷口經(jīng)100 弱醋酸處理，是基本清除斷口處的銹污后的結果。斷口分析（圖3、圖4、圖5、圖6） 表明，兩試件的斷裂由疲勞裂紋引起。K294+31試件疲勞裂紋的啟裂點位于焊瘤內靠近推瘤的起始點。K297+33試件啟裂點位于焊瘤推瘤尾部形成的趾部。掃描電鏡分析和電子探針分析表明焊瘤中的夾雜物和空洞是疲勞裂紋啟裂的重要因素。焊縫及熱影響區(qū)金相組織、硬度值和硬度分布無明顯異常，不是引起鋼軌斷裂的原因。在K297+33試件的2個裂紋尖端（圖2）、K294+31試件裂紋右側的2個分叉裂紋的尖端（圖1）和其它部位未發(fā)現(xiàn)其它裂紋源；K294+31試件裂紋左部尖端已接近軌頭底面（圖1），在沿軌頭底

6、面切割試件時試件自然分離，說明截取試件時未能保留左側裂紋尖端，因此無法明確判斷此處是否有另一裂紋源。但與K297+33試件對比，可見兩裂紋形態(tài)相同，且都有基本相同的啟裂點，因此，可基本確認294+31試件的焊瘤內靠推瘤的起始部位是唯一的啟裂點。關于鋼軌焊縫附近的軌腰縱向裂紋的裂紋源，文獻1通過金相分析，認為是焊前鋼軌端面存在微裂紋，而軌腰含碳量偏高和連續(xù)的網(wǎng)狀滲碳體組織是造成焊前裂紋的原因。文獻2認為鋼軌閃光焊接頭斷裂的裂紋源在軌底和軌頭，裂紋在軌底啟裂是由于氧化使金屬脫碳，軌頭啟裂是由于輪軌的沖擊使軌頭淬火層與基體界面出現(xiàn)疲勞裂紋。顯然，本文中討論的鋼軌軌腰縱向裂紋與上述文獻中的雖然都是疲勞

7、裂紋，但裂紋源不同。2.2 裂紋形態(tài)和形成機理與鋼軌焊接頭有關的裂紋形態(tài)可分為3 類：S 形、H形、形3。然而，不論裂紋最終形態(tài)如何，共同的特點是均有與鋼軌重心線大致平行的擴展段。K294+31試件屬S形（左側）或H 形（右側），K297+33試件屬形。啟裂點均在焊縫附近，裂紋通過疲勞擴展穿透軌腰厚度后，先大致沿與鋼軌重心線平行的方向擴展，然后轉向軌頭和（或）軌底。根據(jù)此類裂紋的啟裂點、裂紋形態(tài)和裂紋走向，可定性地分析裂紋啟裂和擴展的機理。鋼軌在軋制和較直過程中會產(chǎn)生殘余應力4 ，5，軌腰部位如有縱向殘余壓應力，由于泊松效應會產(chǎn)生垂向拉應力，使軌腰沿重心線劈裂。焊接殘余應力使鋼軌中的殘余應力更

8、加復雜，但根據(jù)焊接殘余應力分布的一般規(guī)律，軌腰厚度小于軌頭和軌底，最先冷卻，產(chǎn)生縱向殘余壓應力，是產(chǎn)生裂紋的力學因素。裂紋沿重心線方向擴展到轉向之前的長度，應與焊接殘余應力區(qū)長度有關。由圖1、圖2和裂紋長度數(shù)據(jù)可見，K294+31試件（氣壓焊）比K297+33試件（閃光焊）水平段長度長，這是與兩者的加熱區(qū)寬度相對應的。所以，盡管列車載荷會在鋼軌外側軌腰產(chǎn)生拉伸彎曲應力6 ，但K294+31和K297+33試件均在鋼軌內側軌腰啟裂，可見此時裂紋的擴展方向主要受焊接殘余應力控制。裂紋擴展穿過焊接殘余應力區(qū)之后，擴展方向則主要受列車載荷的控制，使裂紋由縱向（水平）轉為垂向。綜上所述，顯然焊接殘余應力

9、是裂紋啟裂和擴展的重要力學因素。在鋼軌的冶金（包括焊接冶金）因素、殘余應力和列車載荷之間，究竟哪個因素起決定性作用，目前還難以定量分析，而且也缺乏準確詳細的調查資料。例如，啟裂點多數(shù)在鋼軌內側還是外側，目前尚無資料可查。因此，筆者建議有關研究機構和施工、維修單位，開展對此類裂紋的調查，這將有利于加深對此類斷裂的認識。3 結論K294+31和K297+33試件均為疲勞斷裂，且啟裂點均在鋼軌內側。K294+31試件啟裂源在焊瘤內部靠近軌腰表面與焊縫相交處，K297+33試件啟裂源在焊瘤趾部。兩試件焊縫和熱影響區(qū)組織、硬度值和硬度分布無明顯異常。K294+31和K297+33試件的裂紋形態(tài)與常見的類似裂紋相同，但啟裂點與現(xiàn)有文獻報道的不同。建議重視此類斷裂現(xiàn)象，加強有關此類斷裂事故的調查和研究。定性分析判斷，此類裂紋受焊接殘余應力控制，先沿鋼軌重心線方向擴展，裂紋穿過焊接殘余應力區(qū)后，則主要受列車載荷的控制，由沿重心線方向擴展轉為沿垂向擴展，最終形成S 形、H 形或形裂紋。參考文獻1 鄒定強，邢麗賢，楊其全，等。焊前軌端軌腰裂紋造成的焊接接頭傷損的研究J。鐵道建筑，2003，(10) ：729。2 丁成鋼，陳春煥，史春元，等。鋼軌閃光對焊接頭斷裂研究J . 焊接技術，1999， (3)：425。3 許廣德，從鋼軌斷裂情況談無縫線路焊軌應注意的問題J . 鐵道建筑技術，19